特開 2025-162026 電力変換装置の冷却装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2025162026

(43)【公開日】2025-10-27

(54)【発明の名称】電力変換装置の冷却装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 23/467 20060101AFI20251020BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20251020BHJP

   H05K 7/20 20060101ALI20251020BHJP

【ＦＩ】

H01L23/46 C

H02M7/48 Z

H05K7/20 H

H05K7/20 D

H05K7/20 G

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2024065112

(22)【出願日】2024-04-15

(71)【出願人】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(74)【代理人】

【識別番号】100111121

【弁理士】

【氏名又は名称】原 拓実

(74)【代理人】

【識別番号】100200218

【弁理士】

【氏名又は名称】沼尾 吉照

(72)【発明者】

【氏名】藤原 伸人

(72)【発明者】

【氏名】餅川 宏

【テーマコード（参考）】

5E322

5F136

5H770

【Ｆターム（参考）】

5E322AA01

5E322BA03

5E322BB03

5F136BA03

5F136CA01

5F136CA06

5F136CA12

5F136CC24

5H770PA02

5H770PA05

5H770PA21

5H770PA29

5H770PA42

5H770QA08

(57)【要約】

【課題】
本発明が解決しようとする課題は、複数の半導体素子とヒートパイプを縦方向に立てて使用しても性能を発揮することができる電力変換装置の冷却装置を提供することである。
【解決手段】
複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子が縦方向に並べて取り付けられ、前記半導体素子の発した熱を受熱するベース板と、前記ベース板に長手方向が縦方向になるように設けられ、内部に熱伝導媒体が収容されたヒートパイプと、前記ベース板から直交する方向に突出して設けられ、前記ベース板の熱を放熱するフィンと、を備えたヒートシンクと、前記ヒートシンクの上部に設けられ、前記ヒートシンクの前記フィンに向けて下方に送風するファンと、を有する電力変換装置の冷却装置。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

複数の半導体素子と、
前記複数の半導体素子が縦方向に並べて取り付けられ、前記半導体素子の発した熱を受熱するベース板と、前記ベース板に長手方向が縦方向になるように設けられ、内部に熱伝導媒体が収容されたヒートパイプと、前記ベース板から直交する方向に突出して設けられ、前記ベース板の熱を放熱するフィンと、を有するヒートシンクと、
前記ヒートシンクの上部に設けられ、前記ヒートシンクの前記フィンに向けて下方に送風するファンと、
を有する電力変換装置の冷却装置。

【請求項2】

前記フィンは薄板状で、縦方向に所定の間隙を維持して並んで形成されている、
請求項1に記載の電力変換装置の冷却装置。

【請求項3】

前記フィンは円柱形状で形成されている、
請求項1に記載の電力変換装置の冷却装置。

【請求項4】

前記ファンから送風された空気を前記フィンに導くダクトと、
前記フィンの先端に接するように配置された空気漏れ防止板と、
を有する請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の電力変換装置の冷却装置。

【請求項5】

前記空気漏れ防止板は前記ダクトの端部から前記フィンの全領域を囲むように設けられている、
請求項４に記載の電力変換装置の冷却装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置の冷却装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力変換装置は、半導体素子と、半導体素子を冷却する冷却器と、その他電気用品等で構成されている。冷却器としては、ポンプ等を用いた強制循環液冷方式やファン・ブロア等を用いた強制空冷方式、ヒートシンクのみを用いた自然空冷式に大別される。冷却方式を選択するにあたっては、冷却性能を始め、低コスト化や低騒音化、省エネ化、メンテナンスフリー等、様々な観点から検討が行われるが、半導体素子の負荷がある程度大きくなると自然空冷式では冷却ができないため、強制空冷方式が選択されることが多い。

【0003】

強制空冷式の冷却器において、特に複数の半導体素子が適用される電力変換装置では、半導体素子が複数並べられ、それらの熱をヒートシンクに伝え、ファンによる風によって排熱が行われる。また、半導体素子数が多く、設置面積が大きい場合にはヒートシンクのベース板に熱を拡散するためのヒートパイプが埋め込まれる場合がある。

【0004】

複数の半導体素子を用いて構成される電力変換装置では、水平に設置されたヒートシンクに半導体素子を並べて設置した場合、設置面積を広く取らなければならない。設置面積を小さくするためには、垂直に設置されたヒートシンクに半導体素子を並べれば良いが、半導体素子を縦方向に並べる場合、上部の半導体素子は、下部の半導体素子の熱の影響を受けることから、半導体素子の負荷が同じ場合、上部に行くほど半導体素子の温度上昇が大きくなってしまい、上部と下部で半導体素子間に温度差が生じてしまうという課題がある。

【0005】

また、ヒートパイプが埋め込まれたヒートシンクを縦方向に設置することにより均熱化を行おうとする場合、ヒートパイプがトップヒート状態となるため、ヒートパイプを垂直に立てて使用すると性能を発揮することができない。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１１－２３３５６２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明が解決しようとする課題は、複数の半導体素子が取り付けられるヒートシンクを縦方向に立てて設置しても性能を発揮することができる電力変換装置の冷却装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本実施形態の電力変換装置の冷却装置は、複数の半導体素子と、前記複数の半導体素子が縦方向に並べて取り付けられ、前記半導体素子の発した熱を受熱するベース板と、前記ベース板に長手方向が縦方向になるように設けられ、内部に熱伝導媒体が収容されたヒートパイプと、前記ベース板から直交する方向に突出して設けられ、前記ベース板の熱を放熱するフィンと、で構成されるヒートシンクと、前記ヒートシンクの上部に設けられ、前記ヒートシンクの前記フィンに向けて下方に送風するファンと、を有する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、第１の実施形態に係る薄板状のフィン板を並べたくし型ヒートシンクを備えた電力変換装置の冷却装置を示す斜視図である。

【図2】図２は、第１の実施形態の変形例に係るピン型フィンを並べたヒートシンクを備えた電力変換装置の冷却装置を示す斜視図である。

【図3】図３は、第２の実施形態に係る電力変換装置の冷却装置であって、第１の実施形態の構成に対して、ダクトと、空気漏れ防止板と、を設けた電力変換装置の冷却装置を示す斜視図である。

【図4】図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置の冷却装置であって、第１の実施形態の構成に対して、ダクトと、空気漏れ防止板と、を設けた電力変換装置の冷却装置を横方向から見た側面図である。

【図5】図５は、第２の実施形態に係る電力変換装置の冷却装置であって、第１の実施形態の構成に対して、ダクトと、空気漏れ防止板と、を設けた電力変換装置の冷却装置を下面方向から見た平面図である。

【図6】図６は、第２の実施形態の変形例に係る電力変換装置の冷却装置であって、第１の実施形態の変形例の構成に対して、ダクトと、フィンを取り囲むように空気漏れ防止板と、を設けた電力変換装置の冷却装置を横方向から見た断面図である。

【図7】図７は、第２の実施形態の変形例に係る電力変換装置の冷却装置であって、第１の実施形態の変形例の構成に対して、ダクトと、フィンを取り囲むように空気漏れ防止板と、を設けた電力変換装置の冷却装置を下面方向から見た平面図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、発明を実施するための実施形態について説明する。

【0011】

（第１の実施形態）
第１の実施形態の電力変換装置の冷却装置１を、図１及び図２を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る薄板状のフィン板１８を並べたくし型ヒートシンク１２を備えた電力変換装置の冷却装置１を示す斜視図である。図２は、第１の実施形態の変形例に係るピン型フィン１９を並べたヒートシンク１２を備えた電力変換装置の冷却装置１を示す斜視図である。

【0012】

電力変換装置は、直流電力を交流電力に変換するインバータである。

【0013】

図１に示すように、電力変換装置の冷却装置１は、複数の半導体素子１０と、複数のフィン板１８を有し複数の半導体素子１０を冷却するヒートシンク１２と、ヒートシンク１２の上部に設けられ複数のフィン板１８に向けて下方に送風するファン２２とを有する。ヒートシンク１２は、複数の半導体素子１０が取り付けられる一方の面を有し複数の半導体素子１０の発した熱を受熱するベース板１４と、ベース板１４に設けられて内部に熱伝導媒体が収容されたヒートパイプ１６と、ベース板１４の複数の半導体素子１０が取り付けられる面の反対側の他方の面に突出して設けられベース板１４の熱を放熱する複数のフィン板１８と、を有する。

【0014】

図１では、ベース板１４の面が縦方向になるように設置される。すなわち、複数の半導体素子１０は、縦方向に並んで配置される。本実施形態において、縦方向とは、電力変換装置が平地に設置されたときの鉛直方向を指す。

【0015】

図１では、複数の半導体素子１０は６列×３行となるように並べられている。図１では、複数の半導体素子１０はヒートシンク１２全域に設けられているいるが、必ずしも上部にまで設けられなくても良い。

【0016】

ファン２２は、ヒートシンク１２の上部に設けられて風を上方から下方に向けて流していく。

【0017】

ヒートシンク１２は、複数の半導体素子１０の発した熱を受熱するベース板１４と、ベース板１４と一体に設けられて、内部に熱伝導媒体が収容されたヒートパイプ１６と、受熱した熱を放熱する複数のフィン板１８と、を設ける。

【0018】

ベース板１４は、長手方向が縦方向になるよう配置され、複数の半導体素子１０の発した熱を受熱する。

【0019】

ヒートパイプ１６は長手方向が縦方向になるようにベース板１４に設けられている。ヒートパイプ１６の設け方として、ベース板１４に孔をあけて埋め込む方法や、溝を掘ってそこにヒートパイプ１６を設ける方法がある。

【0020】

ヒートパイプ１６は、例えば、内部に毛細管構造を有する密封容器であり、内部空間に熱伝導媒体が密封される。ヒートパイプ１６は、一端が加熱されることで、熱伝導媒体が蒸発し、他端の低温部側に蒸発した熱伝導媒体が移動して冷却されると凝縮し、凝縮した熱伝導媒体を毛細管構造により一端側に還流させる。言い換えれば、ヒートパイプ１６の内部で熱伝導媒体が相変化される。

【0021】

複数のフィン板１８は、薄板状で、縦方向に所定の間隙を維持して並んで形成されている複数のフィンであり、ベース板１４の半導体素子が取り付けられる面の反対側の面に突出して設けられ、ベース板１４の面に直交する方向に突出して設けられる。

【0022】

複数の半導体素子１０が縦方向に並べて配置された構造では、下方の半導体素子１０が発した熱により熱された空気が上方に向かって流れた場合、上部の半導体素子１０は下部の半導体素子１０の熱の影響を受けることになり、負荷が同じ場合、上部に行くほど半導体素子１０の温度上昇が大きくなってしまう。そのため、上部と下部で半導体素子１０間に温度差が生じてしまう。

【0023】

これらを防止するために、上方から下方に向かって風が流れるようにヒートシンク１２の上部にファン２２を配置することにより、冷却風はベース板１４から突出して設けられた複数のフィン板１８間を流れ最も冷えた風が上方に流れ込み、上部の半導体素子１０の方が下部の半導体素子１０よりも温度が低く抑えられる。これにより、ベース板１４と一体に縦方向に設置されているヒートパイプ１６はトップヒート状態にならずに正常に作動することができ、上下方向の半導体素子１０間の温度差を低減することができる。

【0024】

図１において、複数のフィンは、薄板状で、縦方向に所定の間隙を維持して並んで形成されている複数のフィンであり、ベース板１４の半導体素子が取り付けられる面の反対側の面に突出して設けられ、ベース板１４の面に直交する方向に突出して設けられる複数のフィン板１８で構成される例を説明したが、図２に示すように、フィン１９の形状は円柱形状のピン型でもよい。またピン型フィン１９は、ベース板１４の長手方向に列状に配置されていても、格子状に配置されていても良い。

【0025】

このように、第一の実施形態の電力変換装置の冷却装置１は、ヒートパイプ１６がトップヒート状態にならないため、ベース板１４を均熱化できて、上下方向の半導体素子１０間の温度差を低減することができる。このように、複数の半導体素子１０を縦方向に並べて設置した場合の、上下方向の半導体素子１０間に温度差が生じる問題およびヒートパイプ１６がトップヒート状態になる課題を解決することにより、複数の半導体素子１０を水平に並べて設置した場合と同様の放熱効果を得ることができる。

【0026】

結果として冷却装置の設置面積の低減及び設置面積あたりの冷却性能の向上を図ることができる。

【0027】

（第２の実施形態）
次に第２の実施形態のダクト２４と、空気漏れ防止板２６と、を設けた電力変換装置の冷却装置１について図３を参照して説明する。

【0028】

図３は、第２の実施形態に係る電力変換装置の冷却装置１であって、第１の実施形態の構成に対して、ダクト２４と、空気漏れ防止板２６と、を設けた電力変換装置の冷却装置１を示す斜視図である。

【0029】

ダクト２４は、ファン２２と、ヒートシンク１２と、の間に設けられ、ファン２２から送風された空気を複数のフィン板１８に導くようになっている。ダクト２４を設けることによって、ファン２２から送風された空気が複数のフィン板１８に流れ込むときに外部に漏れないようにしている。

【0030】

図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置の冷却装置１であって、第１の実施形態の構成に対して、ダクト２４と、空気漏れ防止板２６と、を設けた電力変換装置の冷却装置１を横方向から見た側面図である。

【0031】

図４に示すように、空気漏れ防止板２６は、ダクト２４の端部から複数のフィン板１８の全領域に亘って設けられている。この空気漏れ防止板２６は、複数のフィン板１８の先端に接するように設けられることによって、ファン２２から送付された空気は全て複数のフィン板１８の間隙を通って流れることによって、複数のフィン板１８から熱を奪うようになっている。

【0032】

また、図５は、第２の実施形態に係る電力変換装置の冷却装置１であって、第１の実施形態の構成に対して、ダクト２４と、空気漏れ防止板２６と、を設けた電力変換装置の冷却装置１を下面方向から見た平面図である。

【0033】

図５に示すように、薄板状の複数のフィン板１８のように、薄板状の複数のフィン板１８で複数のフィン板１８の左右がふさがれていて空気が横方向から漏れることがない場合、空気漏れ防止板２６は薄板状のフィン板１８の先端に接するように設ければよい。

【0034】

空気漏れ防止板２６を設けることにより、ファン２２から送られてダクト２４を通った空気は、複数のフィン板１８に沿って下方に流れていく。空気漏れ防止板２６は、空気の流路を形成する働きを持つ。

【0035】

ダクト２４と、空気漏れ防止板２６を設けることにより、ファン２２から送られた空気が途中で漏れることが防止され、より効率的に複数のフィン板１８に空気を通すことができる。

【0036】

次にピン型フィン１９を備えた場合の空気漏れ防止板２６の形態について図６を参照して説明する。

【0037】

図６は、第２の実施形態の変形例に係る電力変換装置の冷却装置１であって、第１の実施形態の変形例の構成に対して、ダクト２４と、フィン１９を取り囲むように空気漏れ防止板２６と、を設けた電力変換装置の冷却装置１を横方向から見た断面図である。

【0038】

薄板状の複数のフィン板１８と同様に、ピン型フィン１９の先端に接するように空気漏れ防止板２６が配置されている。

【0039】

図７は、第２の実施形態の変形例に係る電力変換装置の冷却装置１であって、第１の実施形態の変形例の構成に対して、ダクト２４と、フィン１９を取り囲むように空気漏れ防止板２６と、を設けた電力変換装置の冷却装置１を下面方向から見た平面図である。

【0040】

ピン型フィン１９は、長手方向に伸びるフィン同士の間に間隙が生まれる。そのため、ファンから送られたた空気が横方向から漏れてしまう。この場合、空気漏れ防止板２６は、ピン型フィン１９の先端に接するだけでなくピン型フィン１９を取り囲むように設ける。言い換えれば、空気漏れ防止板２６はダクト２４の端部からピン型フィン１９の全領域を囲むように設けられている。

【0041】

これにより、ファン２２から送られた空気が漏れることを防止され、より効率的にピン型フィン１９に風を通すことが出来る。

【0042】

また、薄板状のフィン板１８であっても、薄板状のフィン板１８におけるヒートシンク１２の短手方向の一端と他端にも空気漏れ防止板を設けても良い。

【0043】

このような実施形態の電力変換装置の冷却装置１は、複数の半導体素子１０を縦型に配置したヒートシンク１２として、薄板状のフィン板１８及びピン型フィン１９を備えたベース板１４に、ヒートパイプ１６を縦方向に設置し、ファン２２によって上方から下方に向けて空気を送風する構造にしている。このような構造では、設置面積当たりの冷却性能として、半導体素子１０の負荷合計が１００，０００ｗ／ｍ２以上であることが好ましい。

【0044】

以上説明したように、ダクト２４と、空気漏れ防止板２６と、を設けることで、複数の半導体素子１０を縦方向に並べて設置した場合の、上下方向の半導体素子間に温度差が生じる問題およびヒートパイプ１６がトップヒート状態となる課題を解決することができる。

【0045】

また、複数の半導体素子１０を水平に並べて設置した場合と同様の放熱効果を得ることができ、結果として冷却装置の設置面積の低減及び設置面積あたりの冷却性能の向上を図ることができる。

【0046】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0047】

１ 電力変換装置の冷却装置
１０ 複数の半導体素子
１２ ヒートシンク
１４ ベース板
１６ ヒートパイプ
１８ 薄板状のフィン板
１９ ピン型フィン
２２ ファン
２４ ダクト
２６ 空気漏れ防止板

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】